Welding of Creep-Resistant Steels: Importance of Preheating, PWHT and Proper welding consumables

Creep-resistant steels, also called heat-resistant steels, are designed for applications under high temperature and long-term mechanical stress. In installations such as steam generators, heat exchangers and pressure vessels, they are indispensable. The weldability of these steels places high demands on knowledge of metallurgy, stress control and heat input. Welding, if performed improperly, can lead to internal stresses, brittle microstructures, hot cracks, hydrogen cracks and reduced creep strength. Therefore, preheating and PWHT are not optional steps, but fundamental to a reliable joint.

What is creep-resistant steel and why is it used?

How does creep work in steel at high temperatures?

When steel is subjected to a constant mechanical stress and a high temperature for a long period of time, it will slowly elongate even if that stress is lower than the yield strength. Creep becomes relevant at temperatures higher than about 0.4 times the melting temperature of the material in Kelvin. For steel, this is typically above 400 °C. For example, a steel pipe in a power plant with constant pressure and an operating temperature of 600 °C will deform slowly even if the stress remains constant.

Creep-resistant steel

Creep-resistant steels are also called heat-resistant materials. Creep-resistant steels are alloyed steels that maintain their strength at high temperature over extended periods of time. These steels are characterized by their high tensile strength, combined with high creep strength and high toughness, even at elevated temperature. To make a comparison, unalloyed steels are “only” applicable up to about 350°C, while the high vanadium alloyed CrMo(Ni) steels are applied up to about 650°C (depending on the alloy).

Characteristics and composition of creep-resistant steels

Elements that increase resistance to creep are carbon, chromium, molybdenum, vanadium and titanium. The more chromium and molybdenum, the higher the temperature at which the steels can be applied.

Examples:

16Mo3: Simple 0,5% Mo-steel up to 530°C
13CrMo4-5 / 10CrMo9-10: for installations up to 560 - 600°C
X10CrMoVNb9-1 (P91): up to 620 - 650°C

Steel grade	C (%)	Cr (%)	Mo (%)	V (%)	Nb (%)	Rm (MPa)	Rp0,2 (MPa)	Max. operatingtemp. (°C)
16Mo3	0.12 - 0.20	-	0.25 - 0.35	-	-	450 - 600	≥ 280	530°C
13CrMo4-5 (P11)	0.08 - .018	0.70 - 1.15	0.40 - 0.60	-	-	440 - 590	≥ 290	570°C
10CrMo9-10 (P22)	0.08 - 0.14	2.00 - 2.50	0.90 - 1.10	-	-	510 - 670	300 - 450	600°C
X10CrMoVnB9-1 (P91)	0.08 - 0.12	8.00 - 9.50	0.85 - 1.05	0.18 - 0.25	0.06 - 0.10	620 - 850	≥ 450	620 - 650°C

Material classification according to ISO 15608 and ASME IX

ISO 15608

Group	Description	Types
1.1	C-Mo (0.5Mo)	16Mo3
5.1	CrMo-steel: 0.75% ≤ Cr ≤ 1.5%, Mo ≤ 0.7% (1.25Cr - 0.5Mo)	13CrMo4-5
5.2	CrMo-steel: 1.5% < Cr ≤ 3.5%, 0.7 % < Mo ≤ 1.2% (2.25Cr - 1.0Mo)	10CrMo9-10
6.4	Martensitic: 7.0% < Cr ≤ 12.5%, 0.7% < Mo ≤ 1.2%, V ≤ 0.35% (9 - 12% Cr-Staal)	X10CrMoVNb9-1

ASME Section IX (P-Numbers)

P-No.	Description	Types
4	1.25Cr – 0.5Mo	SA-182 F11 CL1 SA 213 T11 SA-335 P11
5A	2.25Cr – 1Mo	SA-182 F22 CL1 SA-213 T22 SA-335 P22
5B	5-9Cr – 0.5Mo	SA-182 F5 & F9 SA-213 T5 & T9 SA-335 P5 & P9
15E	9Cr-1Mo-V	SA-335 P91

The importance of pre-heating in creep-resistant steels

Pre-heating is essential when welding creep-resistant steels for several reasons:

Verlagen van de afkoelsnelheid

Door het basismateriaal op te warmen vóór het lassen, voorkom je dat het smeltbad en basismateriaal te snel afkoelt. Een langzame afkoeling geeft minder kans op:
•    Martensietvorming (hard en bros)
•    Restspanningen
•    waterstof scheuren (Koud scheuren)

Waterstofdiffusie bevorderen

Waterstof, afkomstig van vocht in lastoevoegmateriaal, beschermgas of basismateriaal kan grote problemen veroorzaken. Bij lage temperaturen kan deze zich insluiten in de HAZ (heat-affected zone) waardoor de kristalstructuur zal veranderen en mogelijk scheuren veroorzaken. Voorverwarmen versnelt de diffusie van waterstof uit het lasmetaal vóórdat het schadelijke microstructuren (zoals martensiet) vormt.

Gelijkmatige warmteverdeling

Bij constructies met grote wanddiktes zorgt voorverwarmen ervoor dat er geen grote temperatuurverschillen ontstaan tussen het koude basismateriaal en het warme lasmateriaal. Zonder voorverwarming zou het basismateriaal de warmte van het lasmetaal te snel opnemen, wat kan leiden tot inwendige spanningen en vervormingen in het materiaal

Pre-heating of a grade P91 welding joint

Why PWHT (Post Weld Heat Treatment) is crucial

Post Weld Heat Treatment (PWHT) of creep-resistant steels is necessary for several reasons, all related to the mechanical and metallurgical properties of the material after welding. PWHT is essential for creep-resistant steels for the following reasons:

Verlagen van restspanningen

Tijdens het lassen ontstaat thermische uitzetting en krimp, wat leidt tot restspanningen. Als vloeibaar lasmetaal gaat stollen dan zal het krimpen met restspanningen tot gevolg. PWHT verlaagt deze restspanningen.

Microstructuurherstel

Kruipvast staal heeft een speciaal ontworpen microstructuur (vaak ferritisch-perlitisch, bainitisch of martensitisch) die kruipweerstand biedt bij hoge temperatuur. Lassen verstoort deze microstructuur, vooral in de warmte-beïnvloede zone (HAZ). Martensitisch staal, zoals P91, bevat na het lassen een hard en bros lasmetaal en in de HAZ. PWHT zorgt voor omzetting van martensiet naar getemperde martensiet, met fijne carbiden langs de korrelgrenzen. Dit verhoogt de kruipweerstand en ductiliteit.

Verbetering van kruip- en vermoeiingsbestendigheid

Zonder PWHT is het risico groot dat het gelaste onderdeel voortijdig faalt tijdens langdurige blootstelling aan hoge temperaturen en spanningen. PWHT stimuleert de vorming van stabiele carbiden die de staalstructuur op lange termijn stabiliseren en kruipweerstand verhogen.

Example of PWHT diagram from Grade P91

Welding Processes & Welding Consumables

Common welding processes used:

SG CrMo1 Tig welding wire for creep resistant CrMo1 steel

GTAW:
grondlagen, lage diffusie van waterstof

GMAW:
grondlagen en vullagen

AA M CrMo1 seamless metalcored welding wire for creep resisting steels P11-P12

FCAW:
productielassen in positie

CrMo1 type welding electrode for heat and creep resistant steel E 8018-B2

SMAW:
Robuust, veldwerk

Importance of proper welding consumables in creep-resistant steels

The choice of a welding consumable for welding creep-resistant steels is crucial to ensure the mechanical properties and creep resistance of the welded joint. This choice is based on several important criteria:

Samenstelling van het basismateriaal

• Het lastoevoegmateriaal moet chemisch compatibel zijn met het basismateriaal.
• Vaak wordt een toevoegmateriaal gekozen met iets hogere legeringselementen om de gewenste sterkte en kruipvastheid te behouden na het lassen.

Bedrijfstemperatuur

•    Bij hoge temperaturen moet het lastoevoegmateriaal bestand zijn tegen kruipvervorming.
•    Materiaal moet bestand zijn tegen temperatuursveroudering en oxidatie.
•    Typische werktemperaturen zijn vaak >450°C, en soms tot 600–650°C.

Mechanische eigenschappen na lassen

• Rekgrens, treksterkte en kruipsterkte moeten overeenkomen met of iets hoger liggen dan die van het basismateriaal.
• vermoeiingssterkte en taaiheid moeten, vooral bij overgangszones, voldoende zijn.

Warmtebehandeling

• De meeste toevoegmaterialen vereisen een Post Weld Heat Treatment (PWHT) om spanningen te verminderen en structuur te normaliseren.
• Het toevoegmateriaal moet goed reageren op deze behandeling zonder bros te worden.

Base materiaal	GTAW	GMAW	FCAW	SMAW
16Mo3 / P1	CEWELD SG Mo Tig CEWELD ER80S-D2 Tig	CEWELD SG Mo	CEWELD AA R Mo	CEWELD E 7018-A1
13CrMo4-5 / P11	CEWELD SG CrMo1 Tig CEWELD ER 80S-B2 Tig	CEWELD SG CrMo1 CEWELD ER 80S-B2	CEWELD AA R CrMo1	CEWELD E 8018-B2
10CrMo9-10 / P22	CEWELD SG CrMo2 Tig CEWELD ER 90S-B3 Tig	CEWELD SG CrMo2 CEWELD ER 90S-B3	CEWELD AA B CrMo2	CEWELD E 9018-B3
X10CrMoVNb9-1 / P91	CEWELD ER90S-B9 (P91) Tig	CEWELD ER90S-B9 (P91)	CEWELD AA 90S-B9	CEWELD E 9018-B9

Important: Always use matching welding consumables. Wrong choice of materials can lead to differences in creep resistance, stress concentrations and will lead to cracks in the HAZ.

Example-of-heat-affected-zone-cracking-attributed-to-type-IV-failure-mechanism-in-a-CrMoV

Example of cracks in the heat-affected zone in a CrMoV weld made with 2.25Cr-1Mo filler material.
(A) Macro of the fracture
(B) Micro of the fracture location (not in the same weld)
(C) Example of the microstructure in the heat affected zone

Gjerde, M. (2018). Designing with urban daylight: A social agenda. Lighting Research & Technology, 50(3), 366–380. https://doi.org/10.1080/09506608.2017.1410943

Preheat and PWHT guidelines by steel grade

Material	Preheat (°C)	Interpass (°C)	PWHT (°C)	Holdtime (min/mm Minimum 30 minutes
16Mo3 / P1	100 - 150	<250	580 - 620	2 min/mm
13CrMo4-5 / P11	150 - 200	<300	630 - 700	2 min/mm
10CrMo9-10 / P22	200 - 250	<300	660 - 700	4 min/mm
X10CrMoVNb9-1 / P91	200 - 250	<300	740 - 780	4 min/mm

Notice:
Cooling too quickly after welding Grade P91 gives untempered martensite and causes brittleness. Without timely PWHT, non-optimal precipitates occur which seriously deteriorates long-term mechanical properties, such as creep resistance.

Common mistakes and their consequences in welding

Causes	Consequence
No preheating	Hydrogen cracks, hard HAZ
No PWHT or too short PWHT	Embrittlement, creep cracking
Excessive interpass temperature	Coarse-grained structure, loss of creep strength
Incorrect welding consumable selection	Cracks in the HAZ
Cooling too quickly	Material remains martensite resulting in brittleness

Crucial points to consider when welding creep-resistant steels

Pre-heating prevents cracking and improves hydrogen diffusion
PWHT is essential for stress relieving and metallurgical stabilization
Use correct welding consumables, equivalent to base material
Control interpass temperatures to prevent coarse-grained areas